ESAC: un paso más hacia la calefacción solar verde

La metodología desarrollada en este trabajo se divide en la obtención del pigmento, la síntesis y el depósito de las pinturas, comercial y de almendro, y su caracterización. Todo el proceso se resume en la figura 1b.

Figura 1. a) Representación gráfica de la funcionalidad de los recubrimientos absorbentes solares (SAC) en los calentadores de placa plana. b) Diagrama de flujo metodológico.

Se recolectaron alrededor de 60 frutos al pie de los árboles que se encontraban dentro de las instalaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán, se les retiró la semilla y se les dejó secar al sol por tres días. Pasado el tiempo se les trituró con una licuadora de 100 W hasta lograr un polvo que pudiese atravesar un tamiz de 1 mm de diámetro de apertura. A este polvo se le nombró simplemente almendro (ALM) y se le realizó un análisis termogravimétrico (TGA) en atmósfera de aire estándar con una rampa de calentamiento de 30°C/min donde se determinó que la temperatura a la cual se produce la máxima descomposición en estas condiciones es a los 425°C (figura 2c). El proceso de carbonización no debería ser tan demandante energéticamente, al respecto se propuso que el tiempo de tratamiento térmico fuera de sólo 15 min, muy corto en comparación con el trabajo de Gonzáles-Canché et al. (2021), de 1 h. De ese modo, siguiendo las mismas condiciones del TGA se carbonizó el polvo de T. catappa en un horno de alta temperatura y se dejó enfriar dentro del mismo hasta que alcanzó temperatura ambiente. Al material carbonáceo obtenido se le nombró almendro tratado térmicamente (ALM-TT). El rendimiento del proceso fue 34.68%.

Para asegurar que el carbón conseguido pudiese disolverse correctamente se le redujo el tamaño de partícula con ayuda de un molino de bolas, el polvo resultante podía atravesar un tamiz de 0.01 mm de apertura. Posteriormente se le realizó un lavado con el que se retiró cualquier impureza restante y se obtuvo un material con una concentración de carbono muy alta. Se utilizó una solución de 250 ml de HCl a 5% en peso preparada a partir de una solución madre de HCl a 37% en peso. El producto final fue molido con un mortero, reservado y nombrado pigmento carbonáceo de almendro (ALM-PC).

Síntesis de la pintura y su depósito

En un vaso de precipitado se mezclaron 19.78 g del pigmento carbonáceo de T. catappa con 101.00 g de xileno de grado industrial con pureza de 90% como solvente y 92.95 g de la resina comercial Isóomex ID 455 C a 400 rpm por 30 minutos hasta tener una solución homogénea. Los sustratos fueron placas de 10 x 10 cm de aluminio reciclado de una imprenta, previamente lavadas; con una solución jabonosa preparada con 1% en peso de jabón Alconox, lijadas; con lijas de agua en orden de 320, 400, 600, 1,000, 1,200 y 2,000 granos, y pulidas con alúmina de micropulido de 1 y 0.3μm de Buehler-Micropolish II. Para depositar la pintura de almendro se empleó una pistola por gravedad. En total se recubrieron tres sustratos, cada una con un número distinto de capas que iba de una a tres. Al sustrato que tenía una capa se le designó S1, al que tenía dos S2 y al que tenía tres S3. La pintura comercial Hi-TEMP de Zynolyte se depositó vía aerosol cubriendo con una sola capa al sustrato correspondiente, al cual se le denominó S4.

Caracterización del pigmento y los recubrimientos

Para observar qué fases cristalinas estaban presentes en cada parte del proceso de obtención del pigmento carbonáceo de T. catappa se utilizó el equipo Bruker D-8 Advance con radiación Cu -κα (λ=1.5418 Å), con esto se llevó a cabo la difracción por rayos X, operando a 40 kV y 30 mA. El tiempo y tamaño de paso fueron de 0.5 s y 0.02° (2θ), respectivamente. Con el objetivo de conocer la estructura grafítica del material carbonáceo se realizó un estudio de microscopía Raman confocal con AFM, empleando el equipo WITEC Alpha 300 con un láser de neón operando con una λ= 488 nm y referencia de silicio. Con un tiempo de integración de dos segundos, 20 acumulaciones y un objetivo de 50x de magnificación. El análisis termogravimétrico realizado sobre 5 mg de polvo de almendro se llevó a cabo con el equipo Discovery TA-Instruments de 25 a 700°C con un flujo de gas igual a 25 ml/min.

Al comparar el desempeño térmico entre las cubiertas se empleó un soporte con triplay reci- clado en el que se montaron los sustratos a una misma inclinación y se les adhirieron sensores de temperatura en la parte trasera. El diseño de este soporte sirvió al replicar las condiciones a las que un colector solar real se enfrentaría si es montado en la ciudad de Mérida, Yucatán. Así los sustratos terminaron con una inclinación de 21° respecto al suelo y mirando hacia el sur. Se realizaron me- diciones por tres días seguidos en abril de 2023. La dinámica consistió en medir por 30 minutos las temperaturas que registraban los sustratos al ser expuestos a la radiación solar de Mérida. Para mantener la uniformidad de las mediciones, todas se realizaron a ±1h del medio día solar. Además de los cuatro sustratos a los que se les depositó la pintura, se utilizó un quinto que no estaba recu- bierto a modo de control, al que se le nominó S0.

Las curvas de absorbancia solar y emitancia térmica de cada recubrimiento fueron medidas con un espectrofotómetro en el rango UV-VISNIR. La absortancia promedio fue calculada ponderando el espectro de reflectancia frente al espectro de radiación solar estándar ASTM G173- 03, mientras que la emitancia promedio se calcu- ló ponderando los espectros de emisión frente a la función de radiación del cuerpo negro a 100°C.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización de la biomasa y del pigmento

La figura 2a muestra los patrones de difracción del ALM, ALM-TT y ALM-PC. El patrón de DRX del ALM muestra que su estructura es principalmente amorfa. De acuerdo con Gonzalez-Canché et al. (2021), el montículo exhibido en 2θ=22 está relacionado con la naturaleza cristalina de la celulosa contenida en las biomasas lignocelulósicas. Los picos en 2θ=14.9°, 24 .4 °, 30° y 38.3° pertenecen a sales de oxalato de calcio monohidratado, conocidas también como whewellitas. La presencia de este mineral en los almendros puede deberse a que muchas plantas regulan sus niveles de calcio a través de él (Jáuregui-Zúñiga y Cárcamo, 2004). Por otro lado, en el patrón de DRX del ALM-TT se observan picos en 2θ=28.4°, 40.5° y 29.3° que indican la formación de cloruro de potasio y carbonato de calcio producto del tratamiento térmico. Por último, la ausencia de picos en el patrón de DRX del ALM-PC puede indicar el desordenamiento de las fases presentes en el pigmento por la remoción de las impurezas durante el lavado con HCl. Cabe destacar que la presencia de las crestas localizadas entre 10° y 17°, y entre 20° y 30°, se corresponden a los planos (001) y (002), respectivamente, de la estructura del grafito (Gonzalez-Canché et al., 2021; Martínez-Mireles et al., 2022). La permanencia de estos planos tras el lavado advierte la supervivencia de algunas fases grafíticas dentro de la estructura amorfa del ALM-PC.

La figura 2b muestra la aparición de las tres bandas distintivas de los materiales con estructura tipo óxido de grafeno (D, G y 2D) en los espectros Raman de ALM-TT y ALM-PC, mientras que en el espectro del ALM no se observa ninguna señal significativa. La relación entre las intensidades de los picos D y G que aparecen en la figura son una medida del grado de desorden estructural contenido en el ALM-TT y ALM-PC, las cuales indican que el TT en aire efectuado sobre los almendros promovieron la formación de estructuras grafíticas y que tras el lavado éstas no se vieron afectadas, pues se observa que el valor ID/IG disminuyó de 0.6733 a 0.6235, indicando la reducción del desorden estructural dentro del material.

En la figura 2c se muestran las curvas obtenidas del análisis termogravimétrico y térmico diferencial realizado sobre el ALM en las que se observan tres picos que indican las temperaturas con mayor pérdida de masa, la primera, que ronda entre 30 y 150°C, se puede asociar con la pérdida de humedad remanente contenida en T. catappa. Mientras que al segundo (290°C) y tercer (425°C) pico se les asocia con la descomposición de los componentes principales de las biomasas lignocelulósicas: hemicelulosa, celulosa y lignina, que es el caso de la planta que estudiamos aquí; lo cual se corresponde con lo reportado por Gonzalez-Canché et al. (2021).

Desempeño térmico de los recubrimientos

Las temperaturas alcanzadas por cada recubrimiento tras ser expuesto a la radiación solar real se muestran en las figuras 2d, 2e y 2f. Donde se observa que los de almendro son capaces de alcanzar temperaturas iguales o incluso mayores que los de la pintura comercial HI-Temp de Zynolyte. En especial aquellos sustratos con una y dos capas. En cambio, se observa que la que posee tres capas de pintura es la que menor temperatura alcanza, pero por encima del control (S0), esto es indicativo de que debe existir un grosor límite para el cual las propiedades térmicas alcanzan un máximo y pasado éste decaen.

Absortancia solar y emitancia térmica de los recubrimientos

En la figura 2g se observan los espectros de radiación solar estándar ASTM G173-03 y el de emisión de un cuerpo negro a 100°C (arriba) con los que fueron ponderados los revestimientos. También se muestran sus respectivas curvas de reflectancia (abajo-izquierda) y sus espectros de emisión (abajo-derecha) en el rango que va de los 200 nm a los 15,000 nm; es decir, del ultravioleta al infrarrojo.

Figura 2. a) Difractograma del ALM, ALM-TT y ALM-PC. b) Espectro Raman del ALM, ALM-TT y ALM-PC. c) Termograma del ALM. Comporta- miento térmico de los sustratos bajo condiciones reales de radiación solar en los días d) 14, e) 15 y f) 16 de abril de 2023. g) Curvas de reflectancia y emitancia de los sustratos.

En la tabla I se puede observar que las placas con 1, 2 y 3 capas de pintura de almendro (S1, S2 y S3, respectivamente) presentaron absortancias muy similares entre sí, siendo sus valores muy próximos a 85% y ligeramente mayores que el presentado por la pintura comercial de Zynolyte (S4), que mostró una absortancia de 84.21%. Por otro lado, las emitancias varían de manera considerable de un recubrimiento a otro. Siendo S1 el de menor valor, 78.12%, y S4 con el valor de emitancia más alto, 88.81%.

Los resultados del análisis fisicoquímico apuntan a que el pigmento de almendro obtenido en este trabajo posee una estructura de tipo óxido de grafeno (GO), sin embargo, hacen falta mayores estudios que confirmen si podría considerarse un óxido de grafeno reducido (rGO) u otra clase de GO. Por otro lado, los análisis realizados sobre los recubrimientos corroboran el impacto que tiene el grosor de éstos sobre sus propiedades selectivas. Se observó que el aumento en las capas de pintura en los de almendro no mejoró los valores de absortancia, pero sí empeoró los valores de emitancia al aumentarles de valor.

Hevira, Linda, Munaf, Edison, y Zein, Rahmiana. (2015). The use of Terminalia catappa L. fruit shell as biosorbent for the removal of Pb(II), Cd(II) and Cu(II) ion in liquid waste, Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 7(3), 79-89.